Как мы можем сформировать цепочку ретрансляции данных для исследования дальнего космоса?

Мощность, которой обладают зонды для дальнего космоса, обеспечивает пропускную способность радиочастотной связи в несколько кбит/с на таком расстоянии, как Плутон-Земля. Если перейти к оптике, то дальность будет лучше. Но, конечно, мы хотим отправить разведчиков (маленьких зондов) в далекие галактики. Для этого потенциально может потребоваться цепочка коммуникационных реле (или, скажем, повторителей).

Как мы можем послать эти ретрансляторы и в какие периоды, чтобы они всегда двигались как поезд, и чтобы мы поддерживали связь с зондом?

(не имеет значения, но повторители, вероятно, будут меньше, но они должны иметь возможность перемещаться с той же скоростью, что и датчик, и должны иметь один луч в направлении датчика (или переднего повторителя), а другой луч - в направлении заднего повторителя)

«Конечно, мы хотим отправить разведчиков (небольшие зонды) в далекие галактики». Были ли какие-либо серьезные предложения сделать что-то хотя бы отдаленно похожее? Я не придираюсь; если такое предложение существует, мне было бы очень интересно прочитать о нем, поэтому, пожалуйста, предоставьте какую-нибудь ссылку на это заявление. Единственные миссии, о которых я когда-либо слышал, проводились в пределах нашей Солнечной системы; «Вояджеры» покинули Солнечную систему, но все еще находятся очень, очень далеко даже от ближайшей звезды, не говоря уже о других галактиках. Межгалактическая миссия была бы гигантским предприятием, как бы вы его ни нарезали.
@MichaelKjörling, я не занимаюсь космосом, но любопытство человечества не остановить от размышлений о том, что будет дальше (достижимо или нет). Честно говоря, я не знаю, есть ли какие-либо реальные исследования по прыжкам в другие галактики. Вопрос может быть задан, чтобы сосредоточиться на путешествиях от Солнца к ближайшим звездам, но я думаю, что сейчас слишком поздно перефразировать его.

Ответы (2)

Если вы хотите отправить зонд к другой звезде с технологией, о которой мы можем думать (если не проектировать и строить) сегодня, вы говорите о миссии, которая будет длиться сотни лет; ближайшие звезды более чем в 8000 раз дальше, чем Плутон.

У нас нет ни малейшего представления, как отправить зонд в соседнюю галактику, не говоря уже о «далеких галактиках».

Но в общем случае, просто отправляя ретрансляторы по следующему курсу через фиксированные интервалы за основным зондом, я полагаю, что вы можете превратить задачу обратных квадратов в приблизительно обратную линейную задачу — 100 ретрансляторов с мощностью передачи х каждая могут передать сигнал в 10 раз больше, чем одиночный зонд мощностью 100 x . Для межпланетной миссии, проводимой в разумные сроки, дельта-v, обеспечиваемая гравитацией при пролете мимо Юпитера, является относительно небольшой составляющей; возможно, основной зонд с тяжелым научным грузом мог бы использовать Юпитер, чтобы соответствовать скорости более легких реле, которые будут запущены вслед за ним.

В межзвездной миссии о солнечной энергии не может быть и речи (если только не учитывать абсурдно огромное количество действительно маломощных релейных станций), поэтому срок службы источников питания ретрансляторов будет огромным ограничением. РИТЭГи являются предпочтительным источником питания для наших внешних системных зондов, и их производительность ухудшается в течение нескольких десятилетий.

Это кажется очень гипотетическим, но не сделает ли один отказ одного из этих зондов всю систему бесполезной?
Предполагая, что зонды были достаточно близко друг к другу и достаточно мощны, чтобы нормально достигать высоких скоростей передачи данных, и не могли значительно маневрировать, чтобы сократить промежутки между ними, один сбой, скорее всего, заставит два соседних реле переключиться на более низкую скорость передачи данных. между ними, что сделало бы узким местом весь конвейер, как если бы у вас было только вдвое меньше ретрансляционных станций для начала. Он может быть спроектирован таким образом, чтобы деградировать «изящно», но он определенно деградирует.
Хороший и полезный ответ. Одной из моих главных проблем была возможность «отправлять ретрансляторы по следующему курсу через фиксированные интервалы за основным зондом». Мы действительно можем это сделать? Потребуется ли ежегодный периодический запуск? Допустят ли планеты гравитацию каждый год? Солнце тоже движется. Это темы, которые я ищу.
Надежность связи не является частью вопроса, но это очень веский аргумент в пользу того, что система в какой-то момент ухудшится. Вы можете увеличить затраты и/или ускорить всю цепочку, чтобы заменить сломанную функцию. (Каждый позади разбитого занимает место впереди идущего). Это означает, что каждый ретранслятор должен иметь избыточную тягу на случай необходимости. Сила несколько надежнее, я думаю.
Чтобы межзвездное путешествие было хотя бы отдаленно практичным, вам нужна достаточно амбициозная двигательная технология, чтобы планетарная гравитационная поддержка была каплей в море, поэтому я предполагаю, что вы проигнорируете ее и отправите каждое реле с интервалом, близким к фиксированному, Да.
Что может оказаться практичным в Солнечной системе в ближайшие сто лет или около того, так это целая группа ретрансляторов на круговых солнечных орбитах вдоль эклиптики, например, в 3, 6, 9 и т. д. а.е. от Солнца, с несколькими спутниками, разнесенными примерно на 3 а.е. друг от друга вдоль каждой орбиты. Таким образом, нигде рядом с эклиптикой нет более 3 а.е. от какого-либо узла в сети, и зонды, направляющиеся к любой из планет, могут ее использовать. (Вам придется планировать посещения Плутона и других целей с большим наклоном на периоды, когда они находятся близко к эклиптике.)
Точная конфигурация сети будет постоянно меняться, потому что орбитальные периоды у всех разные, но у нее будет то преимущество, что потеря любого одного узла почти не ухудшит ее работу; вы всегда можете обойти его, пока не будет поставлена ​​​​замена. Задержка со скоростью света увеличится при перенаправлении, но пропускная способность не уменьшится.
@RussellBorogove, комментарии здесь заслуживают того, чтобы быть в ответе, они весьма полезны. тем более что гравитационная помощь не потребуется для межзвездной миссии.

Клаудио Макконе стремился к умному использованию физики распространения радиоволн и света, а именно к гравитационному линзированию .

Основная идея (приписываемая фон Эшлеману из Стэнфорда - 1979) состоит в том, чтобы послать зонд (или несколько) к ближайшей звезде И послать большой космический радиотелескоп в направлении, противоположном Солнцу, на расстоянии от 550 до 740 а.е. Солнце будет фокусировать передачу от зонда, таким образом получая около 57,5 ​​дБ на длине волны 21 см - это усиление не может быть получено антеннами DSN на Земле. Конечно, с экономической точки зрения лучше послать один радиотелескоп и один зонд, а не тысячу или сотню зондов, разнесенных во времени (при том же порядке ожидаемых научных результатов).

Как работает линза

Рисунок миссии FOCAL 1

Как организовать межзвездную сеть связи

Не в масштабе

Другие технические приемы и советы, которые помогут решить проблему (без каламбура).

  • Поднять ЭИИМ . Вместо РИТЭГа с разлагающимся топливом поставить ядерный реактор с (скажем) натриевым теплоносителем, держать выключенным до пролета над планетарной системой звезды-мишени, включать и передавать все, что хочешь передать.

  • Сделайте связь асимметричной (лазерный нисходящий канал и микроволновый восходящий канал), см. статью Boone et al. (2002).

  • Еще одно экзотическое направление мысли связано с нейтрино. Отправка реактора поможет генерировать некоторое количество нейтрино, но у нас нет возможности генерировать достаточное количество нейтрино, чтобы покрыть чудовищно большие расстояния, и нет возможности сфокусировать их. Научная фантастика в лучшем виде, а «научная» часть совсем не реалистична. Конечно, вы можете обеспечить движение антиматерии и общаться с помощью модулированной тяги, но, пожалуйста, имейте в виду, что антиматерия непомерно дорога.

  • Пожалуйста, также учитывайте объем данных, которые вы хотите передать. На межзвездных расстояниях ваш зонд, по сути, движется по прямой линии, и практически нет возможности отклонить траекторию, чтобы точно нацелиться на другую звезду или любую из ее планет, если возникнет какая-либо неожиданная аномалия. Таким образом, пролет системы другой звезды будет совсем не похож на «Новые горизонты» — вы будете посылать обратно в основном многоспектральные данные издалека — несколько точек здесь, несколько точек там, спектральный анализ атмосферы, сводку перехваченных радиопередач. :) Вот более-менее. Никаких полноцветных шпионских снимков, никаких прямых трансляций. Таким образом, потребность в высокоскоростной связи не так остра, как вы думали.

использованная литература

  • Полеты в дальний космос и связь: использование Солнца в качестве гравитационной линзы Клаудио Макконе. Спрингер, 2009.
  • Фон Р. Эшлеман. Гравитационная линза Солнца: ее возможности для наблюдений и связи на межзвездных расстояниях. Наука, 205 (1979). стр. 1133-1135. DOI https://dx.doi.org/10.1126/science.205.4411.1133
  • Брэдли Г. Бун; Роберт С. Бокулич; ГБ Эндрюс; Ральф Л. МакНатт-младший и Николас Г. Дагалакис. Концептуальный проект системы оптической и микроволновой связи для реалистичного межзвездного зонда, Proc. SPIE 4821, Лазерная связь в свободном пространстве и лазерная визуализация II, 225 (1 декабря 2002 г.) DOI https://dx.doi.org/10.1117/12.451807
Стоит отметить, что ближайшие звезды находятся на расстоянии более 265 000 а.е.; Таким образом, основная часть вашего гравитационного телескопа примерно в 400 раз ближе к Земле, чем зонд Альфа Центавра. Высокоскоростная связь на 600-700 а.е. - проблема, оставленная в качестве упражнения для студента? ;)
@RussellBorogove - вы знаете рутину - чем меньше общие потери, тем выше скорость передачи данных. Также поднимите EIRP.
В двух словах, какой смысл посылать волны мимо Солнца и (намного) дальше Земли?
@NicolasBarbulesco - Солнце действует как линза, фокусируя радиоволны и улучшая соотношение сигнал/шум.
Охотник на оленей (бедный олень!), здорово! Я понимаю, что это заменяет сложность наведения точно на Землю с очень большого расстояния.
@NicolasBarbulesco - смещение наведения, огромное расстояние, маленькая антенна на зонде - все это усугубляет проблему межзвездной связи. См. en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation
@DeerHunter, это хороший ответ, многому учит. Однако вопрос заключался в том, «как отправлять реле», и это выглядит как хорошее решение проблемы со стороны солнечной системы. Для полноты вы можете включить основную часть (например, как последовательные ретрансляторы будут перемещаться / следовать друг за другом и т. д.). и я с радостью приму ваш ответ как ответ.
@GürkanÇetin - дело в том, что вам не нужны ретрансляторы. Мы можем исследовать ближайшие звезды в нашем локальном пузыре наиболее экономичным способом, развернувшись веером и отправив зонды напрямую.
Возможно, вы захотите отправить несколько ретрансляторов и после космического корабля FOCAL, поскольку он будет продолжаться и дальше, и уже 550 а.е. являются проблемой. Кстати, я отмечаю, что Эшлеман выступил с идеей в том же году, когда была обнаружена первая гравитационная линза, Twin-QSO .
@LocalFluff - действительно, что-либо на расстоянии 100 AU и выше очень трудно надежно контролировать. Почти все, что мы отправляем к звездам, должно иметь автономные возможности ремонта/управления.
Как мы можем сформировать цепочку ретрансляции данных для исследования дальнего космоса?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v